2007數(shù)字示波器27

1、第1頁數(shù)字示波器數(shù)字示波器摘要摘要：本系統(tǒng)基于數(shù)字存儲示波器的基本原理，以單片機(jī)和FPGA組成的最小系統(tǒng)為控制核心，具有實(shí)時采樣方式和等效采樣方式，其實(shí)時采樣速率≤1MSas，并采用順序等效采樣的方式使等效采樣速率達(dá)到200MSas。系統(tǒng)輸入頻率范圍為10Hz～10MHz，輸入幅值范圍為4mvVpp～8vVpp，周期測量精度優(yōu)于0.1％，幅值測量誤差小于5％。系統(tǒng)具有三檔垂直靈敏度和七檔水平靈敏度，采用內(nèi)觸發(fā)方式，觸發(fā)電平可通過外部旋鈕

2、進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時也具有單次觸發(fā)功能。能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行存儲，并且能在需要時調(diào)出存儲波形進(jìn)行回放。系統(tǒng)在模擬示波器上顯示波形和刻度，并且借助于12864點(diǎn)陣液晶顯示示波器參數(shù)及波形信息，功能穩(wěn)定，波形清晰，人機(jī)界面友好。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：數(shù)字存儲示波器，實(shí)時采樣，等效采樣，取樣保持一、方案論證與選擇一、方案論證與選擇系統(tǒng)要求制作一臺實(shí)時采樣方式和等效采樣方式的數(shù)字示波器，要求測量周期信號的頻率范圍為10Hz～10MHz，實(shí)時采樣速率≤1MSas，

3、等效采樣速率≥200MSas，要求包含三檔水平掃描速率和三檔垂直靈敏度，采用內(nèi)觸發(fā)方式，觸發(fā)電平可調(diào)，可擴(kuò)展存儲和單次觸發(fā)的功能，并能對信號進(jìn)行幅值和頻率的實(shí)時測量。1.采樣方式選擇采樣方式選擇一般示波器有兩種采樣方式，實(shí)時采樣和等效時間采樣。方案一：實(shí)時采樣。實(shí)時采樣是在信號存在周期對其采樣，故都是在信號經(jīng)歷的實(shí)際時間內(nèi)顯示信號波形。根據(jù)采樣定理，采樣速率必須高于信號最高頻率分量的２倍。對于周期的正弦信號，一個周期內(nèi)至少應(yīng)該有２個采樣

4、點(diǎn)。為了不失真的恢復(fù)原被測信號，通常一個周期內(nèi)就需要采樣８個點(diǎn)以上。其優(yōu)點(diǎn)是采樣時間較短，缺點(diǎn)是對AD轉(zhuǎn)換其的速度和精度要求很高。方案二:等效時間采樣。使用等效采樣法的前提是被測信號是周期出現(xiàn)的，因此，為了重建原信號，可以每一個周期內(nèi)等效地等間隔地抽取少量的樣本，最后將多個周期抽取的樣本集合到同一個周期內(nèi)，這樣就可以等效成在一個被測信號周期內(nèi)采樣效果。該方案的優(yōu)點(diǎn)是采樣頻率不需要太高，與被采樣信號頻率相當(dāng)即可，缺點(diǎn)是要求被測信號是周期的

5、，而且采樣過程較慢，比較耗時。根據(jù)題目要求我們選擇實(shí)時采樣和等效采樣相結(jié)合的方式，實(shí)時采樣速率≤1MSas，即限制了AD轉(zhuǎn)換器的速率為≤1MSas，題目要求水平分辨率至少為20點(diǎn)div故我們50KHz以下采用實(shí)時采樣方式，50KHz～10MHz采用等效時間采樣方式，最高等效采樣速率可達(dá)到200MSas。第3頁二、系統(tǒng)總體設(shè)計方案及實(shí)現(xiàn)方框圖；二、系統(tǒng)總體設(shè)計方案及實(shí)現(xiàn)方框圖；阻抗匹配程控放大測頻加法器采樣保持電路MAX118峰值檢波MC

6、U(AT89S52)Max197采樣控制雙口RAM波形顯示控制模塊鍵盤掃描顯示驅(qū)動行掃描DA列掃描DA模擬示波器鍵盤12864點(diǎn)陣顯示MAX197等精度測頻波形數(shù)據(jù)存儲控制采樣控制總線控制觸發(fā)電平調(diào)節(jié)FPGA輸入圖1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52和FPGA為控制核心。被測10Hz～10MHz信號經(jīng)由射極跟隨器構(gòu)成的阻抗匹配電路輸入系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)三檔垂直靈敏度，共設(shè)置三級程控放大電路，然后信號經(jīng)加法器變?yōu)閱螛O性信

7、號，經(jīng)設(shè)計的采樣保持電路送入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。AD轉(zhuǎn)換器采用1Msps采樣速率8位的MAX118。同時程控放大后的信號經(jīng)測頻整形電路送入FPGA進(jìn)行測頻，并經(jīng)峰值檢波電路由12位ADMAX197采樣，進(jìn)行幅值測量。同時MAX197采樣觸發(fā)電平調(diào)節(jié)電位器電壓，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電平的調(diào)節(jié)。FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)等精度測頻，當(dāng)所測頻率小于50KHz時即采用實(shí)時采樣，當(dāng)所測頻率大于50KHz時，采用等效時間采樣。采樣所得數(shù)據(jù)由波形數(shù)據(jù)存儲控制模塊寫入FPG

8、A內(nèi)部，同時由波形顯示控制模塊將數(shù)據(jù)讀出，送入列掃描電路，行掃描電路產(chǎn)生掃描電壓，在模擬示波器上顯示出信號波形。可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)觸發(fā)顯示和單次觸發(fā)顯示，并能實(shí)現(xiàn)波形的存儲與回放。三、理論分析與計算三、理論分析與計算1.等效采樣分析等效采樣分析等效時間采樣是一種用低頻信號采樣高頻信號的一種方法，即對每個周期僅采樣一個點(diǎn)，經(jīng)過若干個周期后就可對信號各個部分采樣一遍，而這些點(diǎn)可以借助步進(jìn)延遲方法均勻地分布于信號波形的不同位置。設(shè)輸入信號f（t）(